Астрофизика: как ученые изучают черные дыры

Пять лет назад были представлены первые убедительные доказательства того, что в сердце большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Теперь ученым стали доступны еще более детализированные изображения, включая те, которые относятся к Млечному Пути.

Существование черных дыр было предсказано в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Они характеризуются наличием горизонта событий, который не могут пересечь даже фотоны света. Гравитационное притяжение в этих областях пространства-времени настолько велико, что черные дыры образуются при слиянии массивных звезд или коллапсе газо-пылевых облаков. 
Существуют черные дыры, масса которых составляет менее ста солнечных масс. Одна из таких была недавно обнаружена вблизи Земли благодаря космическому телескопу Gaia, который отслеживает движение миллионов звезд в нашей галактике.

Черная дыра, названная Gaia-BH3, имеет массу, в 33 раза превышающую массу нашего Солнца. Предыдущей рекордсменкой по массе в Млечном Пути была черная дыра в рентгеновской двойной системе в созвездии Лебедя (Cyg X-1), чья масса, по оценкам, была примерно в 20 раз больше массы Солнца. Средняя черная дыра звездной массы в Млечном Пути примерно в 10 раз тяжелее Солнца.

Gaia-BH3 находится всего в 2000 световых годах от Земли, что делает ее второй по близости к нашей планете черной дырой, когда-либо обнаруженной.

Ближайшая к Земле черная дыра — Gaia-BH1, расположена на расстоянии 1560 световых лет. Масса Gaia-BH1 составляет примерно 9,6 солнечных масс, что значительно меньше массы недавно обнаруженной черной дыры.

Астрономы обнаружили черную дыру Gaia-BH3 во время изучений звезды в созвездии Орла, находящейся на расстоянии 1926 световых лет от Земли. В ходе наблюдений были зафиксированы колебания звезды, что свидетельствует о ее орбитальном движении вокруг гигантской черной дыры. Расстояние между ними варьируется от расстояния между Солнцем и Нептуном в самой дальней точке до расстояния между Солнцем и Юпитером в самой близкой точке.

Звезда в этой системе является субгигантом, размером примерно в пять раз больше Солнца и в 15 раз ярче его. Однако она холоднее и менее плотна по сравнению со Солнцем. Звезда-компаньон в основном состоит из водорода и гелия, двух самых легких элементов во Вселенной, без примеси более тяжелых элементов, известных как «металлы».

Тот факт, что эта звезда является «бедной металлом», подразумевает, что её предшественница, разрушившаяся, чтобы создать Gaia-BH3, также не содержала значительного количества более тяжелых элементов. Ученые предполагают, что звезды с низким содержанием металлов в течение своей эволюции теряют больше массы, чем их более богатые металлами аналоги, и возникает вопрос о том, смогут ли они сохранять достаточную массу для образования черных дыр. Gaia-BH3 дает первые подтверждения того, что звезды с низким содержанием металлов могут в действительности формировать черные дыры.

Важно сказать, что Gaia-BH3 — небольшая по сравнению со сверхмассивной черной дырой, известной как Стрелец А* (Sgr A*), расположенной в сердце Млечного Пути. Ее масса в 4,2 миллиона раз превышает массу Солнца. Сверхмассивные черные дыры, подобные Sgr A*, формируются не в результате коллапса звезд, а скорее путем слияния все более крупных черных дыр.

В 1975 году советский астрофизик Иосиф Шкловский выдвинул предположение о наличии черной дыры массой 30 тысяч Солнц в центре нашей Галактики. Ее излучение, вероятнее всего, имеет синхротронную природу, порождаемую заряженными частицами, ускоренными в магнитном поле до субсветовых скоростей. Подобное излучение было обнаружено в ускорителях в 1940-х годах.

Гипотеза Шкловского была подтверждена, однако он недооценил массу черной дыры на два порядка. До недавнего времени доказательства её существования были убедительными, но косвенными. В 2020 году трем ученым — теоретику Роджеру Пенроузу, астрономам Райнхарду Генцелю и Андреа Гез — была вручена Нобелевская премия за их работы в этой области.

Прямое наблюдение черной дыры требует использования очень мощных инструментов. В 2011 году в России был запущен на орбиту радиотелескоп «Радиоастрон». В сочетании с наземными радиообсерваториями он создал крупнейший на тот момент интерферометр с сверхдлинной базой, еще одно достижение советских ученых. Интерферометр представляет собой сеть одинаковых антенн, размещенных на расстоянии десятков километров друг от друга, включая их установку на разных континентах. Совместное наблюдение далеких космических объектов превращает такую сеть в один огромный радиотелескоп.

На данный момент на Земле существует несколько подобных интерферометров. Один из них — Телескоп горизонта событий (ТГС), размером с планету. В 2019 году ученые, работающие с этим телескопом, представили восстановленное изображение сверхмассивной черной дыры в галактике M87* — на расстоянии 54 миллионов световых лет от Земли в созвездии Девы. Эта галактика в 1500 раз больше Млечного Пути и видна даже в обычный телескоп. В ее центре находится черная дыра массой в 6,5 миллиарда солнечных масс.

Наблюдение черной дыры Стрельца А* (Sgr A*) в нашей Галактике осложняется облаками межзвездного газа, мешающими наблюдениям. Для получения данных требовалось несколько лет, и только в 2022 году были представлены очень усредненные изображения центра Млечного Пути.

Оранжевые кольца, сверкающие на снимках Телескопа Горизонта Событий (ТГС), напоминают око Саурона из «Властелина Колец» и теперь прославлены по всему миру. Их размеры и форма точно предсказаны общей теорией относительности. Ранее астрономы лишь наблюдали за звездами, движущимися вокруг невидимого компактного объекта в центре Млечного Пути. Теперь они смогли увидеть его облик: темное пятно в центре — тень от черной дыры, из которой не идет свет, окружена ярким кольцом излучения, созданного гравитационными силами.

Значительная часть излучения, собираемого ТГС, поляризована (это было замечено давно). Это поможет лучше понять физику галактических центров и исследовать магнитные поля вокруг черных дыр. В 2021 году та же группа ученых опубликовала изображения магнитосферы вокруг M87, а недавно — и вокруг Млечного Пути.

«Эти изображения помогут объяснить, как магнитные поля притягивают вещество к себе и выбрасывают его в виде джетов», — отмечает Эндрю Чэл из Принстонского Центра Теоретических Исследований при НАСА. Джеты — это потоки энергии из окрестностей черной дыры, движущиеся с релятивистскими скоростями. Как они образуются точно пока неизвестно, однако известно, что часть вещества ускользает от их гравитации. Оценивается, что джеты из центра M87 простираются на пять тысяч световых лет — это больше размера галактики. Изображения магнитных полей дают нам подсказку. Эти поля настолько мощные, что могут оттолкнуть часть вещества от черной дыры и ускорить его до световых скоростей.

«Благодаря поляризованному свету, мы сможем узнать больше о астрофизике, свойствах газа и механизмах питания черных дыр», — добавляет соавтор работы, Анджело Рикарте из Гарварда. Изображения магнитосферы вокруг M87 и Стрельца А* очень похожи, что указывает на схожесть процессов, происходящих там, включая формирование джетов. Возможно, такие же процессы существуют и у черной дыры в центре Млечного Пути, но пока их не удалось зафиксировать.

Источники:
Пожиратель звезд. Ученые обнаружили новую угрозу в центре нашей Галактики — РИА Новости.
Черная дыра, которая в 33 раза массивнее Солнца, обнаружена недалеко от Земли — AB-NEWS-Новости науки.